兰新铁路挡沙墙位置对低矮路堑中客车气动性能的影响

张洁，刘堂红，牛纪强

(中南大学 交通运输工程学院，轨道交通安全教育部重点实验室，湖南 长沙，410075)

新疆铁路自开通以来，一直是我国铁路事故的高发区之一，据现有不完全资料统计显示，自1960 年至今，新疆铁路运输因风沙造成的列车行车安全事故总计38 起。其中因线路积沙造成列车脱轨8 起(脱轨车辆10 辆，倾覆车辆3 辆)[1-4]。尤其在2006-04-09，兰新(甘肃兰州—新疆乌鲁木齐)铁路50 km 风区、15 km风口出现了约30年一遇大风，最大瞬时风速达54.6 m/s(16 级大风)，使得铁路沿线近20 km 内总延长5.5 km 线路多处被积沙掩埋，严重地段达1.2 m 深；大风卷起的砂石将机车、客车多块车窗玻璃打碎，列车整体性能严重受损，8 趟旅客列车长时间滞留风区，造成列车停运超过20 h，给铁路运输带来巨大经济损失和恶劣社会影响[1,4]。目前，经过长期固沙、阻沙、固阻结合等防沙措施基本保证了兰新铁路运营安全[4-7]，但当风速超过41.5 m/s(14 级)时，地表仍将发生失稳现象形成强大的风沙流[3]。列车在路堑中尤其是在低矮路堑中运行时，这股强大的风沙流将严重影响列车整体安全性能[8-9]。为了减少路堑线路积沙及砂石对车窗的破坏，乌鲁木齐铁路局通过现场调研，陆续修建了一些挡沙墙，对减少和防止列车车窗玻璃受损、线路积沙埋道起到了较好作用，但在一些没有修建挡沙墙且地表沙石没有经过固化处理地段路堑上，存在大风作用下沙石击打车窗玻璃的安全隐患[10-11]。为此，本文作者对此进行研究，以便更好地布置挡沙墙的位置，进一步提高低矮路堑防风能力，保障列车安全运行。

1 数值计算模型

本文以运行在兰新铁路上的单层客车作为研究对象。根据文献[12]，当气流流过车头一定距离后流场结构已趋于稳定，因此，缩短列车模型并不会改变列车周围流场物理特性，故文中计算模型选取4 车编组，即机车+3 辆客车[13]；同时简化车体表面结构，仅保留列车整体外形和转向架，车辆之间以风挡连接[14]。

兰新铁路沿线实测最大风速为60 m/s[5]，马赫数小于0.3，因此，可认为空气密度保持不变，按不可压缩流动问题进行处理。根据文献[2]，兰新铁路现有防风设施地段单层客车车速120 km/h 的临界倾覆风速为36 m/s[2]，按照蒲福风力等级属于12 级风(32.7～36.9 m/s)，选取12 级风中最大风速v=36.9 m/s 作为计算环境风速，风向角为90°；单层客车宽度l=3.105 m，在标准大气压下，温度为20 ℃时空气的运动黏度为1.5×10-5m2/s，雷诺数Re=7.64×106，远大于临界雷诺数，列车处在湍流流场中。因此，可采用k-ε双方程湍流模型[15]描述挡风墙后列车周围流场。图1(a)和(b)所示分别为兰新铁路低矮路堑无、有挡沙墙时的防风效果示意图。

图1 低矮路堑防风效果示意图Fig.1 Schematic view of windbreak effect of low cutting

从图1(a)可看到：失稳的迎风侧地表在远方来流带动下形成一股强大的风沙流，当遇到路堑迎风侧时，横截面积扩大，风沙流发生下沉，但由于气流本身具有一定速度，故只略微下沉，因此，直接作用在车体上，导致路堑线路积沙及砂石对车窗造成破坏；随后，由于车体的阻挡，气流发生分离现象，部分气流向上攀爬，绕过车体；部分气流向下挤压，从车底部流过；同时，由于气流的运动，导致路堑迎风侧底部与道床之间、车体后形成了抽空区域，产生漩涡，最终在风沙流的综合作用下，整个车体受到较大的横向力作用。而在图1(b)中，安装了距离路堑迎风侧上缘合适位置挡沙墙后，风沙流受到挡沙墙阻挡，底层沙流停滞在挡沙墙前，上层气流被迫向上流动，使得气流与水平面之间形成1 个夹角(定义为气流扬起角)，从而不再直接作用于车体上，并且在挡沙墙后路堑内形成1 个大漩涡，在车体前后分别形成1 个小漩涡，因此，车体整体受力较好，挡沙墙起到了良好的防风沙效果；另一小部分气流则向下流向地面，在挡沙墙迎风面与地面之间形成了1 个很小的驻涡区。

图2 挡沙墙设置横截面图Fig.2 Cross-section of sand control wall installment

根据以上分析，可知安装挡沙墙后，在实现防沙效果的同时，提高了列车的整体气动性能。可见，对挡沙墙合理位置进行研究很有必要。挡沙墙设置横截面如图2 所示。方案中挡沙墙高为1.00 m，宽为0.15 m，路堑坡比为1.0:1.5。图2 中，L 为挡沙墙背风侧与路堑迎风侧上边缘之间的距离，由于距离路堑上边缘近时易造成路堑表层结构破坏，故本文中L 分别取2，3，4，5，10，15 和20 m 进行分析。

2 计算区域及边界条件

本次计算区域如图3 所示。选取单层客车高度h作为特征长度，综合考虑车尾扰流以及横向流场的充分发展，沿列车方向速度入口距离车头为36.1h，横风入口距离线路中心为36.1h，高度方向为22.6h。整个计算流场采用非结构网格进行离散，对车体表面、路堑、挡沙墙及其附近网格进行加密处理，以提高数值计算的精确度和可靠性，总网格数约310 万，车体物面网格见图4。车体表面定义无滑移壁面边界条件，在来流入口分别给定列车运行速度120 km/h 和横风速度36.9 m/s；出口均设为压力出口边界；底面(道床、地面、路堑、挡沙墙等)定义为与车速相反的滑移边界；域的顶部设置为对称边界。

图3 计算区域Fig.3 Calculation zone

图4 车体物面网格Fig.4 Mesh of train surface

3 数值模拟计算结果与分析

3.1 数值计算与实车试验结果对比

2009-03—2009-06，乌鲁木齐铁路局组织中南大学、中国铁道科学研究院等单位在兰新线“百里风区”进行了大风环境下列车空气动力学综合试验[2]。为验证本文所采用计算方法的正确性，模拟现场试验的风速(26.8 m/s)、挡风墙类型(平地土堤式挡风墙)、车型(25 型客车)以及编组方式，将其中1 节客车的数值计算结果和试验结果进行对比，如表1 所示。实车试验客车上测点布置见图5，根据各测点所测得的压力进行分块积分求得试验车辆气动力和力矩。从表1 可以看出：除了升力Fl两者相差较大外(10%)，横向力Fs和倾覆力矩M 相对误差均在6%之内。两者吻合较好，说明本文采用三维湍流模型是合理的。

方法 横Fs向/kN力倾覆力矩M/(kN·m)实车试验18.7631.6067.22数值模拟17.6528.4463.89相对误差/%5.9210.004.95升力Fl/kN

图5 实车试验客车测点布置示意图Fig.5 Schematic view of measure points on passenger car in full-scale test

3.2 气动力计算结果分析

无挡沙墙时，低矮路堑中列车运行所受到的阻力Fr、横向力Fs、升力Fl和倾覆力矩M 见表2。图6 和图7 所示分别为车速120 km/h 时，不同位置挡沙墙下车辆、整车在低矮路堑运行所受到的气动力。

车辆Fr/kNFs/kN迎风线Fl/kNM/(kN·m)Fr/kNFs/kN背风线Fl/kNM/(kN·m)机车8.7085.3480.87255.768.8080.8781.45239.07单客17.4856.51100.97188.568.2555.8196.97181.54单客28.2557.5393.86185.018.3355.0386.49171.21单客310.8753.7085.45169.6310.7950.2981.87156.31整车35.30253.08361.15798.9636.17242.00346.78748.13

图6 气动力随挡沙墙距离变化拟合曲线Fig.6 Fitted curves of aerodynamic forces with position

通过分析可知：低矮路堑无挡沙墙时，列车均受到正的横向力、升力和倾覆力矩作用，单客3 受到阻力最大，其次是机车，单客1 与单客2 相对较小；对于横向力，机车迎风面积最大，所受到的力也最大，3 节客车的横向力相差较小；而升力相对复杂，单客1的升力最大，其次是单客2，机车所受到升力最小；对于倾覆力矩，机车受到的力矩最大，其次是单客1、单客2 和单客3；当在路堑迎风侧设置挡沙墙后，列车气动力明显减小，表明本文研究具有重要意义；随着距离越来越近，气动力越来越小，当L=5 m 时，迎风线整车阻力Fr、横向力Fs、升力Fl和倾覆力矩M分别减少了25.0%，88.9%，75.4%和83.6%，背风线整车阻力Fr、横向力Fs、升力Fl和倾覆力矩M 分别减小44.2%，82.2%，74.4%和76.5%；随着距离继续减小，阻力呈现小幅度上升，横向力、升力、倾覆力矩等则继续减小。

3.3 压力分布

当客车车速为120 km/h 时，在不同位置挡沙墙下，迎风线列车以及中间客车的压力分布见图8。图9所示为中间客车车体横截面流线图。

图7 整车气动力随挡沙墙距离变化拟合曲线Fig.7 Fitted curves of whole train aerodynamic forces with position

图8 压力分布Fig.8 Pressure distributions around train

图9 流线图Fig.9 Streamlines around train

从图8 可以得到：在低矮路堑下无挡沙墙时，在车体迎风面受到风沙流的直接作用，产生了大面积正压，顶部由于气流加速效应，形成了一个强负压区；而设置一定距离的挡沙墙后，车体迎风面正压区域大幅度减小，且随着距离越来越近，正压区域逐渐变为小负压区域，顶部负压较小，整个列车基本处于1 个小负压环境中。列车所受到的横向力(升力)主要取决于其迎风侧和背风侧的压差(车体底部与顶部的压差)。因此，无挡沙墙下的列车受到的横向力、升力远比安装挡沙墙后的大；而机车相对客车来说，整体高度较高，迎风面积大，故其横向力、倾覆力矩最大；客车1 顶部气流由于受到机车高度的影响，导致负压加大，故其升力最大；单客3 即最后1 节客车由于受到尾部流场复杂漩涡的影响，其阻力在无挡沙墙时最大。

由图9 可知：在低矮路堑无挡沙墙下，风沙流直接吹向车体，作用于车体后，从车体底部、顶部流过，并且在路堑迎风侧下边缘、车体后分别产生了1 个较小的漩涡；而设置了合适位置的挡沙墙后，风沙流被其阻挡，被迫向上运动，基本没有气流作用在车体上；同时，由于气流被抽空，在车体前后分别形成1 个大漩涡，而在挡沙墙与路堑之间则产生了1 个巨大的漩涡，使得整个车体的处在受力较小的外界环境中。

4 结论

1) 在低矮路堑下，列车受到正的阻力、横向力、升力和倾覆力矩作用，尾车受到的阻力最大，机车受到的横向力和倾覆力矩最大，而第1 节客车升力最大。

2) 挡沙墙距离位置对列车的气动性能影响较大；在不同距离挡沙墙下，L=5 m 为1 个关键点，整车阻力Fr、横向力Fs、升力Fl和倾覆力矩M 最大分别减少44.2%，88.9%，75.4%和83.6%；随着距离越来越小，阻力先减小后略微增加，横向力、升力、倾覆力矩则一直减小。

3) 挡沙墙的设置直接影响列车周围压力情况。在低矮路堑下，车体迎风侧和顶部分别为较强的正压、负压区，而设置挡沙墙后，随着距离越来越近，正压区域逐渐变为小负压区域，顶部负压较小，整个车体基本处于一个小负压环境中，车体整体受力情况改善明显。

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